FET: Der freundliche effiziente Transistor

Wenn Sie jemals mit einer Schaltung arbeiten, die eine angemessene Strommenge steuert, werden Sie häufig auf einen FET – einen Feldeffekttransistor – stoßen. Egal, ob Sie ein paar leistungsstarke LEDs steuern, ein USB-Gerät ein- und ausschalten oder einen Motor antreiben möchten, irgendwo im Bild übernimmt normalerweise ein FET die schwere Arbeit. Möglicherweise wissen Sie nicht, wie ein FET funktioniert, wie man ihn verwendet und welche Einschränkungen es gibt – gehen wir die Grundlagen durch.

Hier ist eine einfache FET-Schaltung, mit der Sie die Stromversorgung beispielsweise zu einem USB-Anschluss schalten können, ähnlich wie ein Ventil, das den Stromfluss unterbricht. Diese Schaltung verwendet einen P-FET – um den Strom einzuschalten, öffnen Sie den FET, indem Sie das GATE-Signal auf Masseniveau bringen, und um ihn auszuschalten, schließen Sie den FET, indem Sie das GATE wieder nach oben bringen, wo der Widerstand es standardmäßig hält . Wenn Sie es über eine 3,3-V-MCU steuern möchten, die die High-Side-Spannung an ihren Pins nicht verarbeiten kann, können Sie wie gezeigt einen NPN-Transistorabschnitt hinzufügen – dies kehrt die Logik um und macht es zu einem intuitiveren „High=On“. , low=off“, und Sie riskieren kein GPIO mehr!

Diese Schaltung wird als High-Side-Schalter bezeichnet – sie ermöglicht es Ihnen, die Stromversorgung eines Geräts über einen FET nach Belieben umzuschalten. Es ist der beliebteste Anwendungsfall für einen FET, und wenn Sie sich mehr über High-Side-Schalter wundern, kann ich Ihnen diesen brillanten Artikel von unserem [Bil Herd] wärmstens empfehlen, in dem er Ihnen die Grundlagen von High-Side-Schaltern einfach und klar erklärt Weg. Für diesen Artikel können Sie dieses Schema als Referenz für die typische Verwendung von FETs in einer Schaltung verwenden.

Es gibt verschiedene Arten von FETs – MOSFETs, JFETs und ein paar Dutzend weniger beliebte, aber immer noch häufig vorkommende. Wenn man von einem FET spricht, meint man normalerweise einen MOSFET, und darüber wird in diesem Artikel auch gesprochen – andere Typen sind für die üblichen Hacker-Zwecke nicht so beliebt, und ich weiß zunächst nicht viel über JFETs . Sie sind jedoch alle Feldeffekttransistoren, Geschwister der anderen häufig vorkommenden Art von Transistoren – BJTs (Bipolar Junction Transistor), die so beliebt sind, dass wir sie normalerweise nur als NPN- oder PNP-Transistoren bezeichnen. Diese fallen alle unter den Transistorbegriff, aber wenn man „Transistor“ sagt, meint man normalerweise BJT, und wenn man „FET“ sagt, meint man normalerweise „MOSFET“.

Sie können sich einen FET als einen Widerstand vorstellen, den Sie steuern können, und sein Widerstand kann auf einen Bruchteil eines Ohms (offen) oder für den Zweck Ihres Designs auf einen unendlich hohen Widerstandswert (geschlossen) sinken. Sie öffnen den FET, indem Sie sein Gate laden und entladen – im einfachsten Fall können Sie sich das Gate als Kondensator vorstellen. Zusammenfassend ist ein FET ein Transistor, der als Widerstand fungiert und über einen eingebauten Kondensator zur Steuerung des FET-Widerstands verfügt.

Dies macht FETs einzigartig wunderbar für Dinge wie das Schalten von Stromschienen! Bei der Steuerung der Stromschiene eines Geräts mit einem BJT ist aufgrund der Funktionsweise von BJTs ein Spannungsabfall von mindestens 0,3 V unvermeidlich – Strom wird dadurch in Wärme umgewandelt und ist für digitale Geräte, bei denen die Versorgungsspannung wichtig ist, ein No-Go. Ein FET in derselben Anwendung ist jedoch nur ein Inline-Sub-Ohm-Widerstand – effizient und benutzerfreundlich. Dies ist der Hauptgrund, warum FETs für Leistungsschaltanwendungen verwendet werden, und daher werden Sie FETs an allen möglichen Orten sehen.

Nun geht ein FET nicht sofort von „vollständig geöffnet“ zu „vollständig geschlossen“ über – genau wie bei BJTs, die wir alle kennen und lieben, gibt es auch Zwischenzustände, in denen der Widerstand nicht so niedrig ist wie beim FET, aber auch nicht unendlich – der FET ist teilweise offen, also in seinem linearen Bereich. Sie können den linearen Bereich erreichen, indem Sie eine Spannung an das Gate anlegen, die fast offen, aber nicht ganz ist, und indem Sie dies ausnutzen, können Sie einen Verstärker, eine elektronische Last oder für einige einen Konstantstromtreiber bauen LEDs. Für Schaltzwecke sollten Sie jedoch einen FET im linearen Bereich vermeiden – ein hoher Widerstand bedeutet hohe Verluste und die Notwendigkeit, diese Wärme irgendwie abzuleiten.

Aufgrund der Art und Weise, wie FETs aufgebaut sind, verfügt jeder FET über eine eingebaute Diode, die sogenannte „Body-Diode“. Sie können dieser Diode nicht ausweichen – sie ist da, um zu bleiben; Sie können seine Existenz nur erklären, wenn Sie die Dinge verkabeln. Wenn eine Diode unerwünscht ist, können Sie sie vermeiden, indem Sie zwei FETs Rücken an Rücken schalten. So funktionieren Schutzschaltungen für LiIon-Batterien: Sie müssen die Batterie vor Tiefentladung schützen, indem sie den ausfließenden Strom abschalten, aber sie müssen auch vor Überladung schützen, indem sie den einströmenden Strom abschalten und zwei FETs in Reihe schalten Die einander zugewandten Dioden sind eine Möglichkeit, dies zu erreichen. Wenn Sie sich ein LiIon-Batterie-BMS mit höherem Strom ansehen, werden Sie unweigerlich zwei so verdrahtete FETs oder sogar zwei parallel geschaltete FET-Reihen finden!

Wie funktioniert eigentlich ein FET auf physikalischer Ebene, ohne die Vereinfachungen? Hier ist ein Video von [Thomas Schwenke] speziell zu FETs und eines von [EEVblog], das sowohl über BJTs als auch über FETs spricht. Es gibt auch unzählige Lernmaterialien und Beispiele online, wie dieses schöne GIF von Wikipedia. Das muss man nicht unbedingt wissen, aber es könnte helfen und es ist auch absolut faszinierend!

Um einen FET zu öffnen, müssen Sie eine Spannung an das Gate anlegen, die den Vgs-Schwellenwert des FET überschreitet und den Vgs(max)-Wert nicht überschreitet. Beides steht natürlich im Datenblatt. Achtung – Vgs im Datenblatt (und in der Teileauswahl von Online-Händlern!) wird oft für einen akzeptablen Widerstandswert angegeben, nicht jedoch für den niedrigsten Widerstand, den der FET erreichen kann. Daher sollten Sie das Verhältnis von Vgs zum Widerstand überprüfen Diagramm im Datenblatt. Nun steht in Vgs G für Gate und S für Source – der dritte Pin ist Drain; Sobald der FET öffnet, fließt Strom von Source nach Drain. Natürlich muss auch die Gate-Steuerspannung relativ zur Source bereitgestellt werden.

Genau wie bei NPN- und PNP-Transistoren gibt es N-FETs und P-FETs. N-FETs sind wie NPN-Transistoren – der Gate-Pin muss eine höhere Spannung haben als der Source-Pin, damit der FET öffnet. P-FETs sind auch wie PNP-Transistoren – der Gate-Pin eines P-FET muss natürlich eine niedrigere Spannung als der Source-Pin haben, die Vgs übersteigt; In P-FET-Datenblättern wird Vgs als negative Zahl angezeigt, beispielsweise „-1,7 V“. Wie Sie vielleicht bemerkt haben, ist es am einfachsten, P-FETs für die High-Side-Schaltung und N-FETs für die Low-Side-Schaltung zu verwenden – solange Ihre Vgs kleiner als die Spannung Ihrer Stromschiene ist, müssen Sie nicht darüber hinausgehen den Bereich der in Ihrem Stromkreis verfügbaren Spannungen.

Wenn Sie nun einen FET verdrahten, denken Sie an die Body-Diode – wenn Sie einen FET zum Schalten der Last verwenden und ihn falsch verdrahten, indem Sie Source und Drain vertauschen, wird Ihr Gerät immer über die Body-Diode mit Strom versorgt, egal ob ob der FET geöffnet ist oder nicht. Andererseits lässt sich dieses Problem beheben, indem man im Datenblatt nach der Pinbelegung sucht, und beim Zeichnen des Schaltplans wird im FET-Symbol häufig die Diode eingezeichnet – oder zumindest ein Pfeil, der vom selben Pin ausgeht.

Was die Benennung angeht, ist sie leicht zu merken – wenn Sie High-Side-Schaltung mit P-FETs oder Low-Side-Schaltung mit N-FETs durchführen, verbinden Sie Ihre Stromquelle mit dem Source-Pin, der positiven Schiene im Falle eines P-FET oder die negative Schiene im Falle eines N-FET. Auch wenn Sie einen FET für einen anderen Zweck benötigen, kann Sie dieser spezielle Merksatz daran erinnern, an welchen Pin die Body-Diode angeschlossen ist! P-FET, positive Quelle. N-FET, negative Quelle.

Sobald Sie einen FET haben, gibt es mehrere Möglichkeiten, ihn in einen Schaltkreis einzubinden. Wenn Sie eine 3,3-V-Stromschiene schalten und Ihr Mikrocontroller 3,3 V hat, können Sie den FET genauso gut direkt mit einem GPIO ansteuern – während das Laden des Gates eines FETs nicht immer GPIO-freundlich ist, wird die Gate-Kapazität nicht groß sein eine Belastung Ihres GPIO in geringem Umfang, daher ist es eine gute Abkürzung in Hackerprojekten; Wenn Sie Bedenken haben, können Sie einen Serienwiderstand zwischen Gate und GPIO hinzufügen, beispielsweise 100 Ω. Es ist auch sehr beliebt, Low-Side-schaltende N-FETs mit einem GPIO anzusteuern, genau wie wir es mit NPN-Transistoren tun!

Wenn Ihre Spannungen jedoch nicht übereinstimmen, beispielsweise wenn Sie eine 12-V-Last mit einem P-FET und einem 3,3-V-GPIO steuern, gibt es eine andere, weitaus beliebtere Möglichkeit, die Sie in unserem ersten Beispielschaltbild gesehen haben – Verwenden Sie einen anderen FET oder BJT, um das Gate in eine Richtung zu ziehen, und einen Widerstand, um es in eine andere Richtung zu ziehen. Wenn Sie Ihre Vgs innerhalb eines bestimmten Bereichs halten müssen, fügen Sie einfach einen zusätzlichen Widerstand zwischen dem Gate und dem Steuertransistor hinzu, um einen Spannungsteiler zu bilden!

Das ist super nützlich, aber nicht einwandfrei. Das Gate ist ein Kondensator, daher dauert das Laden oder Entladen über einen Widerstand länger als das Gegenteil mit einem Transistor, sodass die widerstandsgesteuerte Richtung mehr Zeit im linearen Bereich verbringt. Für das gelegentliche Ein- und Ausschalten von Lasten ist das kein großes Problem, aber es wird Ihnen schaden, wenn Sie sich für eine höherfrequente PWM entscheiden – zum Beispiel, wenn Sie LEDs ansteuern oder die Drehzahl eines Motors steuern, wobei die Induktivität des Motors durcheinander ist geht es noch weiter aufwärts. Hier kommen FET-Treiber ins Spiel – es handelt sich um einen kleinen Chip mit einer Push-Pull-Stufe im Inneren, die Ihnen hilft, das Gate trotz der Kapazität stark anzusteuern und auch Vgs in einem akzeptablen Bereich zu halten. Schließen Sie mehr oder weniger Ihren Steuer-GPIO an eine Seite des Chips an, das Gate Ihres FET an eine andere, befolgen Sie das Datenblatt des Gate-Treibers, und schon sind Sie goldrichtig.

Natürlich haben FETs ihre Grenzen und Nuancen – es gibt unzählige FETs in SOT23-Gehäusen, die alle gleich aussehen, aber nur einige von ihnen können mithalten, wenn Sie ein paar Meter eines LED-Streifens betreiben müssen. Die wichtigsten Parameter sind der maximale Drain-Source-Strom und die maximale Spannung – diese definieren die Art der Last, die Sie mit einem FET ansteuern können. Wenn Sie eine 12-V-/3-A-Last betreiben möchten, wäre es ratsam, einen 20-V-/4-A-Vds/Ids-FET zu wählen, und wenn es sich um einen 3,3-V-/1-A-FET handelt, ist ein 12-V-/3-A-FET üblich Auswahl. Oh, und die Body-Diode könnte äußerst praktisch erscheinen, wenn Sie beispielsweise induktive Lasten schalten, da sie einen Teil der Rückwärts-EMK ableiten würde, die der FET möglicherweise erhält – verlassen Sie sich bei Bedarf jedoch nicht zu sehr darauf B. eine Diode, ist das parallele Hinzufügen einer zusätzlichen Diode eine bessere Möglichkeit.

Haben Sie ein paar schöne und günstige FETs gefunden, oder vielleicht haben Sie auch ein paar gute in Ihrem Vorrat, aber ihnen reicht der maximale Strom, den sie verarbeiten können, etwas nicht aus? Gute Nachrichten – Sie können oft ähnliche FETs parallel schalten, um die maximale Stromkapazität zu erhöhen! Im Gegensatz zu Dioden haben die meisten FETs einen positiven thermischen Koeffizienten – je mehr Strom durch einen FET fließt und seine Temperatur steigt, desto größer wird auch sein Widerstand, was dazu führt, dass sich parallel geschaltete FETs gegenseitig ausgleichen – auch wenn ihre Parameter nicht vollkommen gleich sind. Sie benötigen nicht einmal separate Treiberschaltungen – einfach parallele FETs, alle drei Pins verbunden, und es wird funktionieren.

Der Gate-Pin ist empfindlicher als Drain und Source – er ist beispielsweise ziemlich ESD-empfindlich, und einige FETs verfügen sogar über eingebaute ESD-Schutzdioden, die zwischen Gate und Source geschaltet sind. Anders als bei BJT-Transistoren, die einen konstanten Stromfluss benötigen, müssen Sie ein Gate nur einmal aufladen, damit der FET für eine gewisse Zeit geöffnet bleibt – und es ist eine so geringe Ladungsmenge, dass Sie das Gate eines FET oft buchstäblich durch einfaches Berühren aufladen können mit dem Finger, wenn das Tor nicht aktiv in eine Richtung gezogen wird. Sehen Sie den R1-Widerstand im Intro-Schaltkreis? Dadurch bleibt das Gate entladen und der FET geschlossen, es sei denn, er wird nicht aktiv geöffnet – ohne diesen Widerstand würde der FET nicht von selbst schließen und wäre anfällig für Störungen aller Art. Sofern Sie keinen Gate-Treiber verwenden, benötigen Sie unbedingt einen Gate-Source-Widerstand.

Außerdem ist der maximale Vgs-Schwellenwert im Allgemeinen viel niedriger als der Vds-Schwellenwert – beispielsweise ist es bei einem 30-V-Vds-FET nicht ungewöhnlich, dass der maximale Vgs-Schwellenwert etwa 12 V beträgt; Wird dieser Wert überschritten, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass der FET ausfällt. Nehmen wir an, Sie schalten 20 V mit einem solchen P-FET in der üblichen High-Side-Schaltkonfiguration und erhalten einen guten Rds (Drain-Source-Widerstand) bei -6 V – Sie sollten das Gate auf diesem Wert belassen ca. 12 V. Auch dies lässt sich am einfachsten mit einem Spannungsteiler erreichen, und der Gate-Pull-Widerstand passt gut ins Bild!

Wenn ein FET ausfällt, kommt es in der Regel zu einem Kurzschluss – das ist ziemlich schlimm, wenn Sie sich in kritischen Situationen auf den FET verlassen, aber es gibt einen Vorteil: Es ist ziemlich einfach, Fehler zu beheben, wenn Ihr FET ausgefallen ist. Einige Produkte, wie z. B. Pinecil, verwenden zwei in Reihe geschaltete FETs, um solche Probleme zusätzlich zu vermeiden – tatsächlich ist es für Ihre Kunden schädlich, wenn sich die Spitze eines Lötkolbens unkontrolliert erwärmt. Andere Produkte verwenden nur einen einzigen FET und machen sich keine Mühe – Ausfälle sind insgesamt selten.

Apropos Pinecil: Er verwendet eine unorthodoxe Treiberschaltung – er verfügt über einen NPN-Transistor, dessen Basis jedoch über einen Kondensator angesteuert wird, sodass nur die Wechselstromkomponente des Treibersignals durchkommt. Wenn also die Haupt-MCU hängt und der Steuerungs-GPIO auf High bleibt, bleibt der FET nicht aktiviert!

Möchten Sie mehr über FETs erfahren? Es gibt viele Informationen online. Zum Beispiel ist dieser TI-App-Hinweis zum Ansteuern von FETs wunderbar. Hier bei Hackaday haben wir uns FETs auch in verschiedenen Kontexten angeschaut – CMOS-Logik, Hochspannungsschaltung, Teilebeschaffung und allgemeines Transistor-Streit – und außerdem einige Einführungsleitfäden behandelt.

Natürlich gibt es noch viel mehr lustige Dinge über FETs zu lernen! Kommen wir das nächste Mal von Schaltplanausschnitten zu realen Anwendungen – ich möchte Ihnen eine Reihe cooler Schaltungen zeigen, die FETs auf vielleicht weniger konventionelle Weise nutzen; Vom Verpolungsschutz über Sanftanlaufschaltungen bis hin zur Pegelverschiebung gibt es eine Reihe von Zwecken, die ein FET auf Ihrer Platine erfüllen kann. Oh, und es wird Empfehlungen zu Teilenummern, Tipps zur Teileauswahl und einige FET-Trivia geben, die Ihnen bei Ihren Hacking-Reisen und der Vervollständigung Ihrer FET-Mental-Landkarte nützlich sein könnten!